7. Conversores Analógico-Digital e Digital-Analógico
9. Circuitos Eletrônicos de Instrumentação
1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Circuitos Eletrônicos de Instrumentação
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 1
2. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Instrumentação
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Introdução
odução
Sensores
e
Transdutores
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 2
3. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sensores
Se so es
• Térmicos
• Mecânicos
• Magnéticos
• Químicos
• Irradiantes
• Elétricos
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 3
4. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Sensores de Temperatura
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Elétrico
• Termopar
– Princípio: efeito termoelétrico
p
– Faixa: 200 a 1000°C
– Necessidade de amplificador tensão em mV
amplificador,
• Resistência (RTD)
• Termistores
metal A
• Semicondutores T1
metal B
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 4
5. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Termopar
e opa
Tipos constructivos
“ungrounded” “grounded” exposed
isolated
Protecção da envolvente: ++ +/- --
Rapidez transferência de T +/- + ++
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 5
6. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Termopar
e opa
Application
Type Names of Materials Range
[ºC]
Platinum30% Rhodium (+)
B 1370-1700
Platinum 6% Rhodium (-)
()
W5Re Tungsten 5% Rhenium (+)
C W26Re Tungsten 26% Rhenium 1650-2315
(-)
Chromel (+)
E 95-900
Constantan (-)
Iron (+)
J 95-760
Constantan (-)
Chromel ( )
Ch l (+)
K 95-1260
Alumel (-)
Nicrosil (+)
N 650-1260
Nisil (-)
Platinum 13% Rhodium (+)
R 870-1450
Platinum (-)
Platinum 10% Rhodium (+)
S 980-1450
Platinum (-)
Copper (+)
T -200-350
Constantan (-)
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 6
7. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Termopar
e opa
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 7
8. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA RTD x Termistor
e so
l
R=ρ
S
ΔT ΔR
Materiais
condutores semicondutores
RTD
Resistance Temperature Detector Termistor
Thermal Resistor
(THERMally
(THERM ll sensitive resISTORS )
iti ISTORS
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 8
9. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Sensores de Temperatura
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Elétrico
• Termopar
• Resistência (RTD)
– Princípio: resistência elétrica (metal puro)
–F i
Faixa: -200 a 850°C (Pl ti )
200 (Platina)
– Necessidade de uma fonte de corrente
• Termistores
• Semicondutores
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 9
10. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Resistência
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Ponte de Wheatstone
o e ea s o e
R1
Vi
R3 R2
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 10
11. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Sensores de Temperatura
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Elétrico
• Termopar
• Resistência (RTD)
• Termistores
– Princípio: resistência elétrica (negativa)
– Faixa: -100 a 450°C (ø 0,03 mm)
( , )
– resistência-temperatura e não linear
• Semicondutores
NTC – Negative Temperature Coeficient
g p
2 tipos de Termístor
PTC – Positive Temperature Coeficient
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 11
12. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Termistores PTC
e s o es C
Selecção d PTC:
S l de PTC
•Conexões
•Temperatura de transição (Ts)
•Resistência a 25º C (R25)
•Área superficial
•Tensão máxima (Vmax)
Utilizações PTC:
ç
• Aquecimento
• Protecção contra sobrecorrentes
TS
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 12
13. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Termistores NTC
e s o es C
• Curvas não lineares
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 13
14. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Termistores NTC
e s o es C
• Limitação de corrente
– Partida de motores
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 14
15. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Sensores de Temperatura
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Elétrico
• Termopar
• Resistência (RTD)
• Termistores
• Semicondutores
– Princípio: resistência elétrica
– Faixa: -55 a 150°C (diodo)
–TTransistores podem ser li d como di d
i t d ligados diodos
(base-coletor curto circuitado)
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 15
16. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sensores de Temperatura
Se so es e pe a u a
Tipo Mín. Máx. ∆T mín. Resposta
Vidro -38 600 15 Minutos
Físico
Bimetálico -70 500 60 Segundos
Expansão -90 650 15 Minutos
Termopar
p -200 1000 36 Segundos
g
Elétri
Resistência -200 850 6 Segundos
ico
Radiação 600 sem - 0,1 s
Ótico 750 sem -
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 16
17. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sensores Mecânicos
Se so es ecâ cos
• Capacitivos
– Sensor de pressão
p
• Piezoelétrico
• Indutivos
• Extensômetros
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 17
18. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Capacitivos
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA a ações
variações
Δd
ΔS
Q
C=
V
I
I= 0
S
C = ε oε r
dQ dV
I= =C
dt dt d
Δε 1
XC =
2π fC
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 18
19. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Capacitivos
Capac os
S
d C = ε oε r
S
d
S
C = 8,854.10 −12
⋅εr ⋅
d
C [pF]
35
30
25
20
15
10
5
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
d [mm]
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 19
20. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sensores Mecânicos
Se so es ecâ cos
• Capacitivos
• Piezoelétrico
– Acelerômetro
–SSensor de pressão
d ã Acelerômetro
• Indutivos
• Extensômetros
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 20
21. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Piezoelétrico
Piezoe é co
e oelétrico
oe
Cristais de quartzo, Cerâmicas piezoelectricas
q p
Turmalina, Litio ...
Quando determinados materiais se deformam, geram, internamente, cargas
elétricas. Se, nos mesmos materiais, forem aplicadas cargas elétricas, estes
deformam-se mecanicamente.
Tipos de esforço mecânico (segundo o corte dos materiais):
As cargas são polarizadas :
• Força em uma direção – V positiva
• Força na direção contrária – V negativa
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 21
22. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Piezoelétrico
e oe é co
•C C Ctot = C piezo + C
Vpiezo
i
1
RF
vo = 1 + 1e
+
τ
–
•R R1 t
RF
R1
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 22
23. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sensores Mecânicos
Se so es ecâ cos
• Piezoelétrico
• Indutivos
– posição, aceleração, força e pressão
• Extensômetros
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 23
24. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE LVDT Linear Variable
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Diferential Transformer
ee a a so e
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 24
25. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA LVDT
Se o secundário for lido por um voltímetro AC,
– não se consegue detectar a mudança de 180º de fase
(i.e. a leitura é a mesma para qualquer um dos lados)
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 25
26. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Vp
LVDT
Vs1 Vs2
Vs1 + Vs2
Vp
Vs1
Vs2
Vs1 + Vs2
PROBLEMA ! - como se sabe qual o lado ?
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 26
27. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA LVDT
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 27
28. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA LVDT
A
I1 I2
R
R1
C2 2
D B
C3
R4
R
C
3
Ponte de Wien
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 28
29. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE LVDT Desmodulador
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA se s e
sensível à fase
ase
+
+
O sentido da corrente, em R,
é sempre o mesmo (c → d)
Deixa passar a baixa frequência associada com xi
Rejeita a alta frequência associada com a modulação
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 29
30. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sensores Mecânicos
Se so es ecâ cos
• Capacitivos
• Piezoelétrico
• Indutivos
• Extensômetros
– Peso, pressão e força
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 30
31. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Extensômetros
e sô e os
l
R=ρ Alteração de
matemática A
resistividade
dR dl dA d ρ
= − +
R l A ρ
mecânica
Alteração de
área
Alteração de
Comprimento - ε
p
dR dρ
= (1 + 2υ ) ⋅ ε +
R ρ
Número de Poisson
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 31
32. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Extensômetros
e sô e os
• Definindo o fator de deformação, G:
alteração fraccional de resistência
G=
alteração fraccional de tensão
– Define a sensibilidade do sensor, ou seja:
dR R dρ ρ Variação de R,
G= = (1 + 2ν ) + devido ao efeito
dl l dl l piezoresistivo
1 dR
G= Variação de R,
ç ,
ε R devido a variação da área
e do comprimento
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 32
33. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Extensômetros
e sô e os
essura ~ 0,5 mm
G=2
R = 120 Ω
0
10 mm
Esforço -> dl = 1 μm
ç μ
Espe
ΔR = G ⋅ ε ⋅ R
−6
1.10
ΔR = 2 × −3
×120
10.10
10 10
ΔR = 0, 024 Ω
Extensómetros de
folha (metálica)
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 33
34. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Extensômetros
e sô e os
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 34
35. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Sensores de Campo
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Magnético
ag é co
• Bússola
– Intensidade do campo entre duas bobinas
p
– Compensar o campo da Terra
– Fonte de alimentação externa
• Efeito Hall
• Rogowski
• Resistores magnéticos
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 35
36. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Sensores de Campo
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Magnético
ag é co
• Bússola
• Efeito Hall
– Corrente, Posição e Velocidade
– A tensão de saída é proporcional ao campo
t ã d íd i l
magnético
• Rogowski
• Resistores
magnéticos
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 36
37. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Efeito Hall
e o a
e
e
I
VH
B
(f)
saturação
I ⋅B
VH = K H
e H
(I)
saturação
Nota: o facto de alguns sensores de Hall se basearem
g
em Silício, permite que este seja integrado com
os restantes circuitos de acondicionamento, no
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas mesmoRiffel
Bressan integrado 37
38. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Efeito Hall
e o a
Vantagens:
• E t d sólido
Estado ólid
• Rápido ( > 100 kHz)
• Vid útil longa (30.109 operações)
Vida l (30 10 õ )
• Funciona com AC ou DC
• Nã t
Não tem partes móveis
t ó i
• Níveis eletrônicos compatíveis
•B f i d t
Boa faixa de temperaturas ( –40ºC a +150ºC)
t 40ºC 150ºC)
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 38
39. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Efeito Hall
e o a
TC’s
• Não devem ter o secundário em aberto
• Apenas medem AC (Lenz-Faraday)
Trafos de efeito Hall
• Podem ter o secundário em aberto
• Medem AC e DC
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 39
40. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Sensores de Campo
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Magnético
ag é co
• Bússola
• Efeito Hall
• Rogowski
– Corrente AC
– Linear
• Resistores magnéticos
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 40
41. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Rogowski
ogo s
⇒ não há histerese
núcleo ≡ ar
⇒ não há saturação
dI
= M
p
dt
Susceptível a campos
magnéticos externos !
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 41
42. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Rogowski
ogo s
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 42
43. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sensores de Co e e
Se so es Corrente
Shunt x TC´s x Hall x Rogowski
TC´
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 43
44. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sensores de Co e e
Se so es Corrente
Shunt x TC´s x Hall x Rogowski
TC´
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 44
45. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Sensores de Campo
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Magnético
ag é co
• Resistores magnéticos
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 45
46. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA (accuracy)
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Precisão Exatidão
exactidão
precisão
Erros Erros
aleatórios sistemáticos
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 46